每次要幫手機(jī)、電腦，或者其他各種電器充電時(shí)，總是要接一條充電線，充電線一多，還常常接錯(cuò)，實(shí)在非常麻煩。幸好，現(xiàn)在愈來愈多的電子產(chǎn)品，開始使用無線充電的技術(shù)了！只要優(yōu)雅的將手機(jī)放在一個(gè)小小的、像杯墊一樣的東西上面，不必接線就能輕松充電，這么厲害的科技背后有什么原理呢？讓我們一起來探究其中奧妙。
電與磁的交互作用
一般見到的無線充電，運(yùn)用的是電流磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)的原理。1819 年，丹麥科學(xué)家厄斯特觀察到一段導(dǎo)線上如果通有電流，四周將會(huì)產(chǎn)生磁場，可以讓指北針偏轉(zhuǎn)。后人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)線圍成環(huán)狀，甚至繞成線圈，產(chǎn)生的磁場將會(huì)更強(qiáng)、更集中，這稱為電流磁效應(yīng)。
至于電磁感應(yīng)，則是在 1831 年由法拉第發(fā)現(xiàn)的。讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈，線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱為電磁感應(yīng)。值得注意的是，電磁感應(yīng)的成立要點(diǎn)是磁場要有變化，例如磁鐵愈來愈靠近 （愈來愈遠(yuǎn)離其實(shí)也可以）。外加磁場若是一直保持不變，是不會(huì)有感應(yīng)電流的。
總而言之，電流磁效應(yīng)就是電流的流動(dòng)在四周產(chǎn)生磁場，電磁感應(yīng)則是不斷變化的外加磁場使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。
利用電磁感應(yīng)來充電
這兩種物理現(xiàn)象同時(shí)運(yùn)用，就可以進(jìn)行無線充電。目前的無線充電設(shè)備，都包含一個(gè)充電座，里面其實(shí)正是線圈。將充電座接到家用插頭后，線圈周圍會(huì)因?yàn)殡娏鞔判?yīng)而產(chǎn)生磁場。要充電的電子產(chǎn)品，里面也都有一個(gè)線圈，當(dāng)它靠近充電座時(shí)，充電座的磁場將透過電磁感應(yīng)，在電子產(chǎn)品的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流導(dǎo)引到電池，就完成了充電座和電子產(chǎn)品間的無線充電。
你可能會(huì)問，磁場不是要改變才能有電磁感應(yīng)嗎？可是充電座與充電的對(duì)象距離卻始終保持不變，這樣為何會(huì)有電磁感應(yīng)呢？原來，家用插座中流出的電是交流電，也就是說電流的方向不斷的交替變化，一會(huì)兒順著流，一會(huì)兒反著流。正因?yàn)槿绱耍潆娮�圈產(chǎn)生的磁場隨之不斷在變換方向，并非保持不變，符合電磁感應(yīng)的要件。
近來愈來愈多智慧型手機(jī)、平板電腦開始提供無線充電的功能，但是不幸的是，它們充電的時(shí)候，只要離充電座的距離稍遠(yuǎn)一些，充電效率就會(huì)明顯下降。即便是最新的技術(shù)，充電距離也不能超過5公分，事實(shí)上，目前絕大部分可以無線充電的行動(dòng)裝置，都是要完全平放在充電座上才能進(jìn)行，和想像中隨走隨充的無線充電仍有點(diǎn)差別。
利用共振拉長充電距離
為了增加無線充電的距離與充電效率，科學(xué)家正在設(shè)法利用磁共振的原理進(jìn)行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件，適當(dāng)連接后，會(huì)形成諧振電路。這就好像樂器行一定會(huì)有的調(diào)音工具──音叉一樣。輕敲音叉一次，它可以持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間，同樣的，對(duì)諧振電路短暫通電，電路中也會(huì)產(chǎn)生維持 一段時(shí)間的訊號(hào)。
音叉具有共振這種有趣的物理性質(zhì)。每支音叉都有自己的發(fā)聲頻率，當(dāng)一支音叉振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，若附近有另一支發(fā)聲頻率相同的音叉，即使它沒有直接受到敲擊，也會(huì)跟著振動(dòng)。音叉的共振可以說達(dá)成了能量的傳遞。諧振電路也可以共振，兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的諧振電路放在一起，其中一個(gè)開始因?yàn)橥姸袷帟r(shí)，另一個(gè)電路也會(huì)跟著振蕩起來，自動(dòng)產(chǎn)生電流，電能就這樣被隔空傳送了。這樣的現(xiàn)象稱為磁共振，用來進(jìn)行無線充電，可以讓充電距離達(dá)到數(shù)公尺，效率也有所提升。唯一的困難就是，要將兩個(gè)電路調(diào)整到一模一樣的頻率，并且維持一段時(shí)間，并不是容易的事。
除了磁共振之外，也有科學(xué)家嘗試借由雷射光的光能來充電，甚至是將電能透過和家用的 Wifi 網(wǎng)路相近的電波頻段來傳送。希望這些技術(shù)的突破，能讓我們未來在充電時(shí)更加方便！
以蘋果、三星、中興通訊等為代表的企業(yè)在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車領(lǐng)域?qū)o線充電的實(shí)踐應(yīng)用將加速千億市場開啟。日前，有媒體報(bào)道稱，雖然此前iphone7擁有無線充電功能的預(yù)言沒有實(shí)現(xiàn)，但2017年的蘋果新機(jī)將大概率擁有無線充電功能，與此同時(shí)，根據(jù)目前企業(yè)布局無線充電的情況來看，2017年無線充電不僅在消費(fèi)電子領(lǐng)域有所突破，在國內(nèi)電動(dòng)汽車領(lǐng)域，無線充電也將迎來較大發(fā)展契機(jī)。無線充電前景無限，那么一起來盤點(diǎn)一下無線充電新技術(shù)吧！
1、超聲波無線充電：有效范圍接近5米
一家名叫uBeam的公司發(fā)明了一種全新的無線充電模式，可以利用超聲波將電力隔空輸送到15英尺（約合4.6米）外的地方。有了這樣的產(chǎn)品，只要使用專用的無線充電套，你就可以在充電的同時(shí)拿著手機(jī)在屋里走動(dòng)。盡管uBeam的原型產(chǎn)品還比較笨重，但該公司正在努力縮小體積，盡快推向市場。據(jù)悉，已經(jīng)有多家公司希望與uBeam達(dá)成戰(zhàn)略合作，為顧客提供這種無線隔空充電服務(wù)，以便吸引更大客流，包括星巴克、維珍航空、喜達(dá)屋酒店以及多家快餐連鎖。除此之外，uBeam還與蘋果和三星等硬件廠商展開了溝通。
風(fēng)險(xiǎn)投資家似乎也從中看到了機(jī)會(huì)：知情人士表示，該公司希望尋求總額5000萬美元的B輪融資，估值有可能達(dá)到或超過5億美元。但uBeam拒絕對(duì)此置評(píng)。該公司去年10月獲得了由Upfront Ventures領(lǐng)投的1000萬美元A輪融資，之前還曾獲得了Andreessen Horowitz和Founders Fund等公司的320萬美元種子投資。之前有很多公司都嘗試過真正的無線充電，但多數(shù)都以失敗告終，最終只實(shí)現(xiàn)了磁共振充電。這種模式必須將設(shè)備靠近發(fā)射器，甚至直接與發(fā)射器接觸，所以并沒有較插電式充電實(shí)現(xiàn)重大突破。
uBeam早期原型機(jī)
然而，眾多大牌投資者的背書表明，uBeam的無線充電模式可能具備巨大潛力。具體而言，uBeam使用的是超聲傳導(dǎo)技術(shù)，發(fā)射器通過插座或建筑物的電力系統(tǒng)取電，然后將其轉(zhuǎn)換成超聲波，再將震動(dòng)發(fā)射到內(nèi)置接收器的設(shè)備——例如配備無線充電套的手機(jī)，接收器之后負(fù)責(zé)將超聲波震動(dòng)轉(zhuǎn)換成電力，為移動(dòng)設(shè)備充電。
uBeam表示，這種模式的充電速度與直接使用傳統(tǒng)電源類似。
這種超聲波隔空充電方式有幾大優(yōu)勢(shì)。首先，這種技術(shù)非常安全，它使用的超聲波與監(jiān)測(cè)胎兒時(shí)使用的超聲波類似。另外，接收器的價(jià)格也很便宜，大約只需50美元，甚至更低，而且體積小巧。不僅如此，這些超聲波還可以用于傳輸數(shù)據(jù)，因此uBeam還可以在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮作用。
但最吸引普通用戶的還在于，該種技術(shù)的有效范圍大約為15英尺，對(duì)移動(dòng)中的設(shè)備同樣有效。雖然智能手機(jī)已經(jīng)在體積和性能上實(shí)現(xiàn)了重大進(jìn)步，但電池續(xù)航能力仍未得到太大改觀，這不僅有損了用戶體驗(yàn)，還阻礙了整個(gè)移動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，uBeam的技術(shù)可能對(duì)整個(gè)行業(yè)形成促進(jìn)。蘋果和三星等科技巨頭都在努力解決充電問題，但卻遲遲未有進(jìn)展。因此，他們有可能洽購uBeam。由于uBeam持有多項(xiàng)重要的無線充電專利，這些巨頭可能會(huì)溢價(jià)收購該公司，避免重要技術(shù)落入競爭對(duì)手之手。
從長期來看，倘若uBeam的無線充電協(xié)議果真實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的潛力，意味著電線將會(huì)逐漸消失。不僅是手機(jī)，其他各類用電設(shè)備也都將使用這種技術(shù)。需要明確的是，uBeam仍在克服一些嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，最終的產(chǎn)品可能無法在價(jià)格、功率、速度和安全方面達(dá)到預(yù)期。不過，倘若真能實(shí)現(xiàn)市場預(yù)期，便會(huì)成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)，這也正是投資者夢(mèng)寐以求的結(jié)果。
2、無線充電新技術(shù)：微軟擬利用聚焦光線來充電
如果你的智能手機(jī)在白天就出現(xiàn)了電量耗盡的情況，一般人們都會(huì)感到煩惱，大多數(shù)人的解決方法就是嘗試記住在晚上要為他們的設(shè)備充電。即使是這樣 做，有時(shí)也不夠人們?nèi)粘Ｊ褂�，全天充電有時(shí)是很有必要的，為此微軟研究院已經(jīng)制定出了一個(gè)潛在的解決方案：AutoCharge。
微軟研究人員們描述AutoCharge是一種自動(dòng)定位桌子上的智能手機(jī)，并為它們充電的技術(shù)。他們制造的原型充電器可以被安裝在天花板上，有兩個(gè)工作模塊：一個(gè)監(jiān)測(cè)模塊，其采用的是微軟的Kinect攝像頭，可以掃描像智能手機(jī)樣子的物體；另一個(gè)是充電模式，采用了UltraFire CREE XM-L T6來聚焦LED光線。
該AutoCharge系統(tǒng)采用了基于圖像處理來監(jiān)測(cè)和追蹤桌上的智能手機(jī)，并自動(dòng)為智能手機(jī)充電。充電器會(huì)不斷地旋轉(zhuǎn)，直到它檢測(cè)到一個(gè)看起來像智能手機(jī)的物體，之后將使用太陽能發(fā)電技術(shù)所產(chǎn)生的光束為智能手機(jī)遠(yuǎn)程充電。換句話說，就是無需電線。
AutoCharge通過藍(lán)牙或手機(jī)上的LED和智能手機(jī)建立連接。這確保了當(dāng)電池充滿電以后可以停止充電，以及確保那些大小和形狀與智能手機(jī)類似的物體不能被充電。該系統(tǒng)在識(shí)別到有物體出現(xiàn)在了它和智能手機(jī)之間，對(duì)充電造成干擾時(shí)，還可以在50毫秒內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉。
智能手機(jī)對(duì)于寬帶無線通信、圖像處理等多方面的需求導(dǎo)致實(shí)際耗電呈指數(shù)增長。未來5G通信帶寬將比4G增加10倍，4K/8K等高清視頻技術(shù)逐漸應(yīng)用，CPU、GPU等運(yùn)算電路處理能力不斷增強(qiáng)，這一切都將導(dǎo)致智能手機(jī)整體能耗需求將成指數(shù)增長。
電池容量呈線性緩慢增長，能耗需求缺口逐漸拉大。電池技術(shù)遲遲無法突破，成為終端使用的最大瓶頸。電池容量增長緩慢，每年線性提升約15%，而能耗則是呈指數(shù)增長，能耗需求與電池性能的差距愈發(fā)明顯。電池性能曲線將與能耗需求曲線嚴(yán)重脫軌，提高充電速度成為電池續(xù)航的關(guān)鍵解決方案，快速充電已成為市場競爭熱點(diǎn)。
一、快速充電原理
快速充電技術(shù)將成為手機(jī)標(biāo)配。在電池容量無法迅速取得突破，手機(jī)用電量又飛速增長的前提下，快速充電技術(shù)普及尤為必要。中國信息通信研究院對(duì)快速充電的定義是：30分鐘充電進(jìn)入電池的平均電流大于3A或者30分鐘充電電量大于60%。
快速充電系統(tǒng)包括快充標(biāo)準(zhǔn)，快充電源適配器，接口E-marker芯片，充電線纜，手機(jī)快充芯片，電池等多個(gè)部分。各部分都必須針對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)專門設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)快充功能，并且保證充電安全。
1、 手機(jī)的四個(gè)充電環(huán)節(jié)
1）充電適配器
充電適配器的任務(wù)是把220V的市電轉(zhuǎn)換為手機(jī)能夠承受的5V電壓（現(xiàn)在應(yīng)各種充電協(xié)議，如QC和USB PD（Type C接口）等的要求，也要求能夠送出9V/12V/14.5V甚至20V的電壓。關(guān)于充電協(xié)議的話題我們已在前面一篇公眾號(hào)做過討論），同時(shí)具有一定的功率輸出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等規(guī)格。充電適配器屬于AC-DC的技術(shù)范疇，平常所說的快充芯片其實(shí)是對(duì)適配器AC-DC芯片和手機(jī)端的開關(guān)式充電管理芯片（以 DC-DC技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段）的統(tǒng)稱，但本文的快充芯片特指手機(jī)端的開關(guān)式充電管理芯片。
2）充電線纜
充電線纜的任務(wù)就是負(fù)責(zé)把電壓/電流從適配器端傳送到手機(jī)端，由于目前絕大多數(shù)充電線實(shí)際上就是USB線。這里有一個(gè)參數(shù)需要提請(qǐng)大家注意。按照USB2.0的標(biāo)準(zhǔn)，線纜需要具備傳送最大1.8A的電流能力，因此如果是5V的適配器，USB2.0的線纜最大能傳送的功率其實(shí)只有9W。
3）快充芯片
它的任務(wù)是把適配器的5V/9V/12V等電壓轉(zhuǎn)換成電池的電壓，同時(shí)按照需要的充電電流精確可控地向電池進(jìn)行充電。從技術(shù)上看，快充芯片是這四個(gè)環(huán)節(jié)中最具有挑戰(zhàn)的部分，因此目前業(yè)界有能力提供高品質(zhì)高可靠性的快充芯片的廠家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導(dǎo)體等少數(shù)幾家國外大廠為主，國內(nèi)的希荻微電子、漢能經(jīng)過幾年堅(jiān)持不懈的自主研發(fā)，已推出了一系列的快充芯片，打破了國外大廠的壟斷局面，并已在各大手機(jī)方案商和品牌商得到廣泛的應(yīng)用。快充芯片具體的介紹將在下文做詳解。
4）電池
電池是這個(gè)環(huán)節(jié)非常重要的部分，整個(gè)充電環(huán)節(jié)都是為了使電池快速而安全地充滿電量。電池的主要參數(shù)包括：容量（mAH，手機(jī)中常見的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充電截止電壓（目前常見的有4.2V, 4.35V和4.4V規(guī)格，更高的充電截止電壓，在同等的電池體積情況下，通常具有更高的電池容量，因此目前所謂的4.35V及以上的高壓電池逐漸在手機(jī)上得到更廣泛的應(yīng)用），以及可接受的最大充電電流等等。其中，可接受的最大充電電流一般以nC來表示。例如一個(gè)3000mAH的電池，1C的充電速度是指一個(gè)小時(shí)之內(nèi)即可充滿電池，此時(shí)可接受的最大充電電流就是3A；如果允許2C的充電速度，那么理論上半小時(shí)就可以充滿電池，則此時(shí)可接受的最大充電電流即為6A；以此類推等等。
二、 經(jīng)典的三段式充電
其實(shí)給鋰離子電池充電的過程和我們生活中用水龍頭向洗臉盆放水的過程非常類似：
第一階段：當(dāng)開始給一個(gè)空的臉盆放水的時(shí)候，為了不讓水濺出來，會(huì)把水量控制得很小；第二階段：等到臉盆底部積滿了一定水位之后，才把水龍頭開得比較大，臉盆里已有的水可以對(duì)這樣急速的進(jìn)水起到緩沖作用，從而不會(huì)有水花濺出；第三階段：當(dāng)水位快到臉盆頂部的時(shí)候，此時(shí)我們又會(huì)逐漸減小進(jìn)水量，以防止有水沖出臉盆之外，直至積滿整個(gè)水盆。
電池就像這個(gè)臉盆，只不過它儲(chǔ)存的不是水，而是電荷。電池的充電也有類似的三個(gè)階段：
第一階段：涓流充電。電池的特點(diǎn)是，當(dāng)電池電壓（大致相當(dāng)于水位）非常低的時(shí)候，其內(nèi)部的鋰離子活動(dòng)性較差，內(nèi)阻較大，因此只能接受較小的充電電流（一般在30到50mA左右），否則電池容易發(fā)熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問題，因此把這個(gè)階段稱為涓流充電，也有同行將之稱為線性充電或者預(yù)充電等等。
第二階段：恒流充電。當(dāng)電池電壓高于2V以上，電池的鋰離子活動(dòng)性被充分激活，內(nèi)阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。在這個(gè)階段，快充芯片會(huì)按照設(shè)定向電池提供可接受的充電電流，因此在這個(gè)階段電池得到的電量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。
第三階段：恒壓充電。電池是一個(gè)十分嬌氣的儲(chǔ)能元件，它的電池電壓不允許超過截止電壓的±50mV，否則就會(huì)有安全隱患。因此，當(dāng)電池電壓被充到接近充電截止電壓的時(shí)候，快充芯片必須能夠自動(dòng)減小充電電流，控制“水花”不要超出范圍，直至把電池完全充滿。
一個(gè)合格的快充芯片，必須能夠根據(jù)電池電壓的高低，自動(dòng)地控制充電過程在上述三個(gè)階段之間進(jìn)行無縫切換，而無需其他硬件或者軟件的幫助。 |
